基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法

1.本发明涉及的是一种柴油机增压技术领域的能量高效自适应控制方法，特别是一种能够自适应控制两级增压旁通阀开度的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法。


背景技术：

2.世界高原主要位于亚欧大陆、南北美洲和澳大利亚，其与周围的盆地区域一起约占陆地面积的45％。我国地域辽阔，地形复杂多变，海拔1000m以上的高原面积占全国总面积的58％，海拔3000m以上的高原面积约占26％。对于涡轮增压柴油机而言，其总体性能只有当增压系统的涡轮做功能力能够满足压气机耗功需求时才得以实现。而涡轮做功能力和压气机耗功需求之间的平衡关系会随着柴油机转速、转矩以及进排气环境状态的变化而发生改变，柴油机变海拔运行时，进气压力温度变化范围大，易出现柴油机燃烧不充分，输出功率下降、油耗上升等问题。可调两级增压能够满足不同海拔高度不同运行工况下的进气需求，然而高、低压级增压器不同的压比分配严重影响排气能量的利用，若两级增压能量失衡，导致效率降低，极易引起增压不足。为改善其变海拔适应性，在两级涡轮增压器间合理分配利用排气能量，根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，基于进排气系统多点压力建立兼顾增压压力恢复和兼顾可调两级增压系统总效率的变海拔能量高效自适应方法具有重要意义。但是在现有技术中，还没有相关的专利。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的不足，提出一种基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，可以根据海拔和发动机工况的变化确定最佳增压压力，根据进排气系统多点压力，建立两级增压能量利用效率分析模型，通过高、低压级涡轮废气旁通阀控制流经两级涡轮的排气能量，以满足各种海拔条件下发动机全工况范围增压系统工作在高效率区，实现基于增压压力恢复的变海拔两级增压排气能量合理分配及高效自适应控制。
4.本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：步骤一，针对可调两级增压系统，由柴油机的转速和负荷工况确定平原目标增压压力，根据海拔高度对目标增压压力进行修正，从而获得变海拔最佳目标增压压力；步骤二，以变海拔最佳目标增压压力及实测的两级增压系统进排气管路多点压力作为输入变量，根据变海拔两级增压能量利用效率分析模型，计算适用不同海拔环境条件的两级增压系统能量利用效率；步骤三，根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，废气旁通阀阀门电子控制单元实时计算满足目标总压比下的高、低压级涡轮废气旁通阀开度，自适应控制两级增压旁通阀开度，实现排气能量在两级增压器间合理分配。
5.进一步地，在本发明的步骤一中，所述变海拔最佳目标增压压力的获得，首先由转速和负荷工况给定平原目标增压压力，而后根据海拔高度对目标增压压力进行修正，海拔相对0m每升高100m，目标增压压力变化+(0.0012-0.0018)bar，从而获得最佳增压压力，数
值上等于高压级涡轮出口压力。环境压力和进排气系统压力直接由传感器测得，进而获得两级增压目标压比。
6.更进一步地，在本发明的步骤二中，所述变海拔两级增压能量利用效率分析模型的计算公式为
7.η
′
ts
＝η
ts1
·
η
ts2
·
ηm8.式中，η
ts1
为高压级涡轮增压器的效率，η
ts2
为低压级涡轮增压器的效率，ηm为涡轮增压器机械效率；
9.高压级涡轮增压器的效率η
ts1
和低压级涡轮增压器的效率η
ts2
的计算公式为：
[0010][0011]
式中，η
ts
为涡轮增压器效率；κa和κg为气体状态参数，四冲程柴油机的κa≈1.399，κg≈1.343；为进气歧管压力，单位为pa；为系统边界空气压力，单位为pa；为压气机出口压力，单位为pa；为压气机入口压力，单位为pa；为涡轮入口压力，单位为pa；为涡轮出口压力，单位为pa；为排气歧管压力，单位为pa；为系统边界压力，单位为pa；为系统边界空气温度，单位为k；为压气机入口温度，单位为k；α为不同海拔高度下进气温度修正系数；β为涡轮废气旁通阀的旁通流量比。
[0012]
更进一步地，在本发明中，涡轮废气旁通阀的旁通流量比β为涡轮废气旁通阀的废气流量与整个高压级涡轮端废气流量的比值，计算公式为：
[0013][0014]
式中，mv和m
t
分别为通过涡轮废气旁通阀和涡轮的废气流量，单位为kg/s；av为涡轮废气旁通阀等效流通面积，单位m2；为涡轮废气旁通阀流量系数，a
t
为涡轮的等效流通面积，单位m2。
[0015]
更进一步地，在本发明中，流经涡轮的废气流量m
t
和流经涡轮废气旁通阀的废气流量mv的计算式分别为：
[0016][0017][0018]
式中，cd为流量系数，p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa；t
ut
为涡轮上游温度，单位为k；
p
dv
为阀门下游压力，单位为pa；t
uv
为阀门上游温度，单位为k；ψ
t
(π
t
)和ψv(∏v)分别为涡轮和涡轮废气旁通阀的流函数，对应的计算式分别为：
[0019][0020][0021][0022]
式中，κg为气体状态参数，四冲程柴油机的κg≈1.343；ε为正值且逼近于0，∏
t
和πv分别为涡轮和阀门的压比，由进出口状态定义，计算公式为：
[0023][0024][0025]
式中，p
uv
为阀门上游压力，单位为pa，p
dv
为阀门下游压力，单位为pa，p
ut
为涡轮上游压力，单位为pa；p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，阀门电子控制单元能实时计算满足目标总压比下的高、低压级涡轮废气旁通阀开度，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整，建立兼顾增压压力恢复和兼顾可调两级增压系统总效率的变海拔能量高效自适应方法，实现了变海拔两级增压排气能量合理分配及高效自适应控制。
附图说明
[0027]
图1为本发明方法流程图；
[0028]
图2为本发明实施例中可调两级增压系统结构示意图；
[0029]
图3为本发明实施例中涡轮废气旁通阀流量系数随开度的变化图；
[0030]
其中，1、柴油机，2、高压级中冷器，3、高压级压气机，4、低压级中冷器，5、低压级涡轮，6、高压级涡轮，7、高压级涡轮旁通阀，8、低压级涡轮旁通阀，9、阀门控制系统，10、电子控制单元，11、高压级中冷后压力温度传感器，12、高压级中冷器前压力温度传感器，13、低压级中冷后压力温度传感器，14、低压级中冷器前压力温度传感器，15、进气压力温度传感器，16、低压级增压器转速传感器，17、涡轮后压力温度传感器，18、涡轮间压力温度传感器，19、涡轮前压力温度传感器，20、高压级增压器转速传感器，21、低压级压气机，22、柴油机进气管路，23、柴油机排气管路。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0032]
实施例
[0033]
本发明的流程图如图1所示，本发明实施例的结构图如图2所示。
[0034]
如图2所示，本发明的实施例包括柴油机1、高压级中冷器2、高压级压气机3、低压级中冷器4、低压级涡轮5、高压级涡轮6、高压级涡轮旁通阀7、低压级涡轮旁通阀8、阀门控制系统9、电子控制单元10、高压级中冷后压力温度传感器11、高压级中冷器前压力温度传感器12、低压级中冷后压力温度传感器13、低压级中冷器前压力温度传感器14、进气压力温度传感器15、低压级增压器转速传感器16、低压级涡轮后压力温度传感器17、涡轮间压力温度传感器18、高压级涡轮前压力温度传感器19、高压级增压器转速传感器20、低压级压气机21、柴油机进气管路22、柴油机排气管路23，柴油机进气管路22的出气口与柴油机1的进气道相连通，柴油机排气管路23的进气口与柴油机1的排气道相连通；沿进气流向低压级压气机21、低压级中冷器4、高压级压气机3、高压级中冷器2依次串接在柴油机进气管路22上，沿排气流向高压级涡轮6、低压级涡轮5依次串接在柴油机排气管路23上，低压级压气机21、低压级涡轮5同轴相连，高压级压气机3、高压级涡轮6同轴相连，高压级涡轮旁通阀7的进出口分别与高压级涡轮6前后的柴油机排气管路23相连通，低压级涡轮旁通阀8的进出口分别与低压级涡轮5前后的柴油机排气管路23相连通，高压级涡轮旁通阀7、低压级涡轮旁通阀8均通过线束与阀门控制系统9相连接。高压级中冷后压力温度传感器11布置在高压级中冷器2下游的柴油机进气管路22上，高压级中冷器前压力温度传感器12布置在高压级中冷器2、高压级压气机3之间的柴油机进气管路22上，低压级中冷后压力温度传感器13布置在高压级压气机3、低压级中冷器4之间的柴油机进气管路22上，低压级中冷器前压力温度传感器14布置在低压级中冷器4、低压级压气机21之间的柴油机进气管路22上，进气压力温度传感器15布置在低压级压气机21上游的柴油机进气管路22上。低压级涡轮后压力温度传感器17布置在低压级涡轮5下游的柴油机排气管路23上，涡轮间压力温度传感器18布置在低压级涡轮5、高压级涡轮6之间的柴油机排气管路23上，高压级涡轮前压力温度传感器19布置在高压级涡轮6上游的柴油机排气管路23上；低压级增压器转速传感器16布置在低压级压气机21、低压级涡轮5之间的连接轴上，高压级增压器转速传感器20布置在高压级压气机3、高压级涡轮6之间的连接轴上；高压级中冷后压力温度传感器11、高压级中冷器前压力温度传感器12、低压级中冷后压力温度传感器13、低压级中冷器前压力温度传感器14、进气压力温度传感器15、低压级增压器转速传感器16、低压级涡轮后压力温度传感器17、涡轮间压力温度传感器18、高压级涡轮前压力温度传感器19、高压级增压器转速传感器20均通过线束与电子控制单元相连接。
[0035]
本发明的实施过程如下：
[0036]
首先，由转速和负荷工况给定平原目标增压压力，根据海拔高度对目标增压压力进行修正，海拔相对0m每升高100m，目标增压压力变化+(0.0012-0.0018)bar，从而获得变海拔最佳目标增压压力，数值上等于高压级涡轮出口压力。环境压力和进排气系统压力直接由传感器测得，进而获得两级增压目标压比。
[0037]
然后，计算适用不同海拔环境条件的两级增压系统能量利用效率，两级增压能量
利用效率分析模型为：
[0038][0039]
其中，η
ts
为涡轮增压器效率；κa和κg与气体状态相关，四冲程柴油机κa≈1.399，κg≈1.343；为进气歧管压力，单位为pa；为系统边界空气压力，单位为pa；为压气机出口压力，单位为pa；为压气机入口压力，单位为pa；为涡轮入口压力，单位为pa；为涡轮出口压力，单位为pa；为排气歧管压力，单位为pa；为系统边界压力，单位为pa；为系统边界空气温度，单位为k；为压气机入口温度，单位为k。α为不同海拔高度下进气温度修正系数；β为涡轮废气旁通阀的旁通流量比，其值为涡轮废气旁通阀的废气流量与整个高压级涡轮端废气流量的比值：
[0040][0041]
式中mv和m
t
分别为通过涡轮废气旁通阀和涡轮的废气流量，单位为kg/s；av为涡轮废气旁通阀等效流通面积，单位m2；为涡轮废气旁通阀流量系数，a
t
为涡轮的等效流通面积，单位m2。平原环境条件1500r/min 50％负荷涡轮废气旁通阀流量系数如图3所示，根据阀门流通特性，阀开度在0
°‑
30
°
变化时，流量系数变化率较小，而阀开度在30
°‑
90
°
变化时，流量系数变化率较大。因此当阀开度较小时，需要更大的阀开度变化量，才能实现变海拔两级增压系统综合效率最优。
[0042]
其中，流经涡轮和涡轮废气旁通阀的废气流量计算式分别为：
[0043][0044][0045]
式中cd为流量系数，p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa；t
ut
为涡轮上游温度，单位为k；p
dv
为阀门下游压力，单位为pa；t
uv
为阀门上游温度，单位为k；ψ
t
(π
t
)和ψv(пv)分别为涡轮和涡轮废气旁通阀的流函数，对应的计算式分别为：
[0046][0047][0048][0049]
式中ε为正值且逼近于0，п
t
和∏v分别为涡轮和阀门的压比，由进出口状态定义，计算公式为：
[0050][0051][0052]
式中，p
uv
为阀门上游压力，单位为pa；p
dv
为阀门下游压力，单位为pa；p
ut
为涡轮上游压力，单位为pa；p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa。
[0053]
由此分别计算得到高压级涡轮增压器的效率η
ts1
和低压级涡轮增压器的效率η
ts2
，可调两级增压能量综合利用效率公式为：
[0054]
η
′
ts
＝η
ts1
·
η
ts2
·
ηm[0055]
式中ηm为涡轮增压器机械效率。
[0056]
最后，根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，基于进排气系统多点压力，阀门电子控制单元实时计算满足目标总压比下的高、低压级涡轮废气旁通阀开度，在两级增压器间合理分配利用排气能量，实现能量均衡性调整，建立兼顾增压压力恢复和兼顾可调两级增压系统总效率的变海拔能量高效自适应方法，实现了变海拔两级增压排气能量合理分配及高效自适应控制。
[0057]
在本发明中，柴油机安装有转速和油门位置传感器，进排气系统进行多点温度压力测量，包括进气压力温度、低压级中冷前后压力、高压级中冷前后压力、涡前压力、涡间压力和涡后压力；压力传感器采用高频动态压力变送器，固有频率高，上升时间短、响应频带宽，能够测量压力的实时变化。传感器测量信号实时发送至电子控制单元10进行信号处理，根据转速、扭矩和进气压力温度，确定满足变海拔条件进气需求的增压压力目标值，进而根据两级增压能量利用效率分析模型，计算得到最高增压系统效率所对应的高、低压级旁通阀开度，将旁通阀开度控制信号传至阀门控制执行器；阀门控制执行器输出控制信号至高、低压级涡轮废气旁通阀，并接受实际增压压力信号进行反馈控制。
[0058]
上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，针对可调两级增压系统，由柴油机的转速和负荷工况确定平原目标增压压力，根据海拔高度对目标增压压力进行修正，从而获得变海拔最佳目标增压压力；步骤二，以变海拔最佳目标增压压力及实测的两级增压系统进排气管路多点压力作为输入变量，根据变海拔两级增压能量利用效率分析模型，计算适用不同海拔环境条件的两级增压系统能量利用效率；步骤三，根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，废气旁通阀阀门电子控制单元实时计算满足目标总压比下的高、低压级涡轮废气旁通阀开度，自适应控制两级增压旁通阀开度，实现排气能量在两级增压器间合理分配。2.根据权利要求1所述的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤一中，所述变海拔最佳目标增压压力的获得，首先由转速和负荷工况给定平原目标增压压力，而后根据海拔高度对目标增压压力进行修正，海拔相对0m每升高100m，目标增压压力变化+(0.0012-0.0018)bar，从而获得最佳增压压力，数值上等于高压级涡轮出口压力。3.根据权利要求1所述的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于在步骤二中，所述变海拔两级增压能量利用效率分析模型的计算公式为η
′
ts
＝η
ts1
·
η
ts2
·
η
m
式中，η
ts1
为高压级涡轮增压器的效率，η
ts2
为低压级涡轮增压器的效率，η
m
为涡轮增压器机械效率；高压级涡轮增压器的效率η
ts1
和低压级涡轮增压器的效率η
ts2
的计算公式为：式中，η
ts
为涡轮增压器效率；κ
a
和κ
g
为气体状态参数，四冲程柴油机的κ
a
≈1.399，κ
g
≈1.343；为进气歧管压力，单位为pa；为系统边界空气压力，单位为pa；为压气机出口压力，单位为pa；为压气机入口压力，单位为pa；为涡轮入口压力，单位为pa；为涡轮出口压力，单位为pa；为排气歧管压力，单位为pa；为系统边界压力，单位为pa；为系统边界空气温度，单位为k；为压气机入口温度，单位为k；α为不同海拔高度下进气温度修正系数；β为涡轮废气旁通阀的旁通流量比。4.根据权利要求3所述的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于所述涡轮废气旁通阀的旁通流量比β为涡轮废气旁通阀的废气流量与整个高压
级涡轮端废气流量的比值，计算公式为：式中，mv和m
t
分别为通过涡轮废气旁通阀和涡轮的废气流量，单位为kg/s；av为涡轮废气旁通阀等效流通面积，单位m2；为涡轮废气旁通阀流量系数，a
t
为涡轮的等效流通面积，单位m2。5.根据权利要求4所述的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，其特征在于所述流经涡轮的废气流量m
t
和流经涡轮废气旁通阀的废气流量mv的计算式分别为：为：式中，c
d
为流量系数，p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa；t
ut
为涡轮上游温度，单位为k；p
dv
为阀门下游压力，单位为pa；t
uv
为阀门上游温度，单位为k；ψ
t
(π
t
)和ψv(пv)分别为涡轮和涡轮废气旁通阀的流函数，对应的计算式分别为：轮废气旁通阀的流函数，对应的计算式分别为：轮废气旁通阀的流函数，对应的计算式分别为：式中，κ
g
为气体状态参数，四冲程柴油机的κ
g
≈1.343；ε为正值且逼近于0，п
t
和пv分别为涡轮和阀门的压比，由进出口状态定义，计算公式为：为涡轮和阀门的压比，由进出口状态定义，计算公式为：式中，p
uv
为阀门上游压力，单位为pa，p
dv
为阀门下游压力，单位为pa，p
ut
为涡轮上游压力，单位为pa；p
dt
为涡轮下游压力，单位为pa。

技术总结
一种柴油机增压技术领域的基于多点进排气压力的两级增压能量高效自适应控制方法，包括以下步骤：由柴油机转速和负荷工况确定平原目标增压压力，根据海拔高度对目标增压压力进行修正，获得变海拔最佳目标增压压力；以变海拔最佳目标增压压力及实测的进排气管路多点压力作为输入变量，根据变海拔两级增压能量利用效率分析模型，计算适用不同海拔环境条件的两级增压系统能量利用效率；根据变海拔两级增压系统综合效率最优原则，废气旁通阀阀门电子控制单元实时计算满足目标总压比下的高、低压级涡轮废气旁通阀开度，实现排气能量在两级增压器间合理分配。本发明能够满足变海拔两级增压系统排气能量的高效利用，实现两级增压系统的自适应控制。的自适应控制。的自适应控制。


技术研发人员：冷泠 石磊 李军玮 章雍 邓康耀
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/5/13